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1、西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 单片机与嵌入式系统单片机与嵌入式系统主主 讲：梁德胜讲：梁德胜联系方式：联系方式：办公地点：教五楼办公地点：教五楼 408室室 2023/5/161西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.1 MCS-51系列概述系列概述 MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生公司生产产的一个的一个单单片机系列片机系列名称，名称，按资源的配置数量，按资源的配置数量，MCS-51系列又分为系列又分为51和和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中
2、，字作为标志。其中，51子系列是基本型，而子系列是基本型，而52子系列则属增强型。子系列则属增强型。8051/8751/80318051/8751/8031；8052/8752/80328052/8752/8032；80C51/87C51/80C3180C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C3280C52/87C52/80C32等等。第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机结构单片机结构51和和C51的区别是制造工艺的不同的区别是制造工艺的不同51中各个类型的区别主要在中各个类型的区别主要在于于ROM的种类和有无分的种类和有无分2023/5/162西安理工大学课堂
3、教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构MCS-51系列系列单片机分片机分类表表子子系系列列片内片内ROM形式形式片内片内ROM容量容量片内片内RAM容量容量寻址寻址范围范围I/O特性特性中断中断源源无无ROMEPROM计数计数器器并行并行口口串行串行口口51子子系系列列8031805187514KB128B264KB216481580C3180C5187C514KB128B264KB216481552子子系系统统8032805287528KB256B264KB316481680C3280C5287C528KB256B264KB31648162023/5/163西安理工大学课堂教
4、学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构52子系列功能增强的具体方面表现在：子系列功能增强的具体方面表现在：(1)片内片内ROM从从4 KB增加到增加到8 KB。(2)片内片内RAM从从128 B增加到增加到256B。(3)定时定时/计数器计数器从从2个增加到个增加到3个。个。(4)中断源中断源从从5个增加到个增加到6个。个。2023/5/164西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 无无ROM(即即ROMLess)型，应用时要在片外扩展程序存储器；型，应用时要在片外扩展程序存储器；掩膜掩膜ROM（即（即MaskROM）型，用户程序由芯片生产厂写入；
5、）型，用户程序由芯片生产厂写入；EPROM型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除；型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除；FlashROM型，用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式）。型，用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式）。片内片内ROM存储器配置形式存储器配置形式2023/5/165西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.1.1引脚信号引脚信号 图为图为MCS51系列单片机引脚图及逻辑符号，系列单片机引脚图及逻辑符号，它们为标准的它们为标准的40脚脚DIP(Dual ln-line Package，双，双列直插式封装列直插式封装)封
6、装。封装。2023/5/166西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2023/5/167西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2023/5/168西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构电源引脚电源引脚Vcc和和VssVcc：电源端，接：电源端，接5V。Vss：接地端。：接地端。时钟电路引脚时钟电路引脚XTAL1和和XTAL2XTAL1：接接外外部部晶晶振振和和微微调调电电容容的的一一端端，在在片片内内它它是是振振荡荡器器倒相放大器的输入，若使用外部倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须
7、接地。时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接接外外部部晶晶振振和和微微调调电电容容的的另另一一端端，在在片片内内它它是是振振荡荡器器倒倒相相放放大大器器的的输输出出，若若使使用用外外部部TTL时时钟钟时时，该该引引脚脚为为外外部部时时钟的输入端。钟的输入端。地址锁存允许地址锁存允许ALE/PROG系系统统扩扩展展时时，ALE用用于于控控制制地地址址锁锁存存器器锁锁存存P0口口输输出出的的低低8位位地址，从而实现数据与低位地址的复用。地址，从而实现数据与低位地址的复用。对对于于EPROM单单片片机机，在在EPROM编编程程期期间间PROG接接收收编编程程脉脉冲。冲。2023/5/169西安理工大
8、学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构外部程序存储器读选通信号外部程序存储器读选通信号PSEN是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端程序存储器地址允许输入端EA/VPP当当EA为为高高电电平平时时，CPU执执行行片片内内程程序序存存储储器器指指令令，但但当当PC中中的的值值超超过过0FFFH时时，将将自自动动转转向向执执行行片片外外程程序序存存储储器器指指令。当令。当EA为低电平时，为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。只执行片外程序存储器指令。对对于于EPROM单单片片机机，在在EPROM编编程
9、程期期间间VPP 引引脚脚加加21V电源。电源。复位信号复位信号RST/VPD该该RST信信号号高高电电平平有有效效，在在输输入入端端保保持持两两个个机机器器周周期期的的高高电平后，就可以完成复位操作。电平后，就可以完成复位操作。VCC掉电期间，此掉电期间，此VPD引脚接备用电源。引脚接备用电源。2023/5/1610西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构1.输入输入/输出口引脚输出口引脚P0、P1、P2和和P3P0口口（P0.0P0.7）：该该端端口口为为漏漏极极开开路路的的8位位准准双双向向口，它为口，它为8位地址线和位地址线和8位数据线的复用端口。位数据线
10、的复用端口。P1口口（P1.0P1.7）：它它是是一一个个内内部部带带上上拉拉电电阻阻的的8位位准双向准双向I/O口。口。P2口口（P2.0P2.7）：它它为为一一个个内内部部带带上上拉拉电电阻阻的的8位位准准双双向向I/O口口。在在访访问问外外部部程程序序存存储储器器时时，它它作作存存储储器器的的高高8位地址线。位地址线。P3口口（P3.0P3.7）：P3口口同同样样是是内内部部带带上上拉拉电电阻阻的的8位位准准双双向向I/O口口，P3口口除除了了作作为为一一般般的的I/O口口使使用用之之外外，其还具有特殊功能。其还具有特殊功能。2023/5/1611西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂
11、教学讲稿 单片机结构单片机结构 MCS-51单片机的片外总线结构地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外总线结构示意图2023/5/1612西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构
12、单片机结构MCS-51单片机采用单片机采用三总线结构：三总线结构：（1）地地址址总总线线（AB）：地地址址总总线线宽宽度度为为16位位，由由P0口口经经地地址址锁锁存存器器提提供供低低8位位地地址址（A0-A7）；P2口直接提供高口直接提供高8位地址（位地址（A8A15）。）。（2）数数据据总总线线（DB）：数数据据总总线线宽宽度度为为8位位，用用于于传送数据和指令，由传送数据和指令，由P0口提供。口提供。（3）控制总线（）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。2023/5/16132.2
13、MCS-51单片机内部单片机内部MCS-51单片机的系统结构框图如图所示。单片机的系统结构框图如图所示。MCS-51单片机的系统结构框图单片机的系统结构框图ROMRAM振荡器及定时电路4KB程序存储器128 B数据存储器2个16位定时器/事件计数器CPU64 KB总线扩展控制可编程串行口可编程I/O中断中断频率基准源计数器串行输入串行输出并行I/O口控制2023/5/1614西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构MCS-51单片机内部主要包含下列几个部件单片机内部主要包含下列几个部件：u一个一个8 8位位CPUCPU；uu一个时钟电路；一个时钟电路；uu4Kby
14、te4Kbyte程序存储器；程序存储器；uu128byte128byte数据存储器；数据存储器；uu两个两个1616位定时位定时/计数器；计数器；uu64Kbyte64Kbyte扩展总线控制电路；扩展总线控制电路；uu四个四个8-bit8-bit并行并行I/OI/O端口；端口；uu一个可编程串行接口；一个可编程串行接口；u 五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断；2023/5/1615西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构MCS51单片机芯片内部结构框图单片机芯片内部结构框图2023/5/1616西安理工大学课堂教学讲稿西安
15、理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构1.CPUCPU即即中中央央处处理理器器的的简简称称，是是单单片片机机的的核核心心部部件件，它它完完成成各各种种运运算算和和控控制制操操作作，CPU由由运运算算器器和和控控制制器器两两部部分分电电路路组成。组成。（1）运算器电路）运算器电路 运算器电路包括运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、（算术逻辑单元）、ACC（累加器）（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器和暂存器2等部件，运算器等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。还具有位处理器。的功能是进行算术运算和逻辑运算。还具有位处理器。（2）控制器电路）控
16、制器电路 控制器电路包括程序计数器控制器电路包括程序计数器PC、PC加加1寄存器、指令寄寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针、堆栈指针SP、缓冲器以、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。片机各部分正常工作。2023/5/1617西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.定时器定时器/计数器计数器MCS51单单片片机机片片内内有有两两个个16位位的的定定时时/计计数数器器，即即定定时时器器0和和定定时时器器1。它它们们可可
17、以以用用于于定定时时控控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。制、延时以及对外部事件的计数和检测等。3.存储器存储器MCS51系列单片机的存储器包括数据存储器系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。内部相同。内部ROM容量容量4K字节字节（000H0FFFH），），内部内部RAM容量容量128字节（字节（00H7FH）2023/5/1618西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构4.并行并行I/O口口
18、 MCS51单片机共有单片机共有4个个8位的位的I/O口（口（P0、P1、P2和和P3），每一条），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。线都能独立地用作输入或输出。P0口为口为三态双向口，能带三态双向口，能带8个个TTL门电路，门电路，P1、P2和和P3口为准口为准双向口，负载能力为双向口，负载能力为4个个TTL门电路。门电路。5.串行串行I/O口口MCS51单单片片机机具具有有一一个个采采用用通通用用异异步步工工作作方方式式的的全全双双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6.中断控制系统中断控制系统8051共共有有5个个中中断断源源，即即外外中
19、中断断2个个，定定时时/计计数数中中断断2个个，串行中断串行中断1个。个。2023/5/1619西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构7.时钟电路时钟电路MCS51芯芯片片内内部部有有时时钟钟电电路路，但但晶晶体体振振荡荡器器和和微微调调电电容容必必须须外外接接。时时钟钟电电路路为为单单片片机机产产生生时时钟钟脉脉冲冲序序列列，振振荡荡器器的的频频率率范范围围为为1.2MHz12MHz，典型取值为典型取值为6MHz。8.总线总线 以以上上所所有有组组成成部部分分都都是是通通过过总总线线连连接接起起来来，从从而而构构成成一一个个完完整整的的单单片片机机。系系统统的
20、的地地址址信信号号、数数据据信信号号和和控控制制信信号号都都是是通通过过总总线线传传送送的的，总总线线结结构构减减少少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。2023/5/16202.3 MCS-51的的输输入入/输输出（出（I/O）口）口一、一、P0口的结构口的结构 P0口的一位逻辑结构图，它由一个锁存器、两个三态输入缓冲口的一位逻辑结构图，它由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。通用通用I/O必须外必须外接上拉接上拉电阻电阻为什么要加锁存器？输入为什么
21、要用三态？为什么要加锁存器？输入为什么要用三态？2023/5/1621西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构1、P0用作通用用作通用I/O口口 当系统不进行片外的当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外扩展，也不进行片外RAM扩展时，扩展时，P0用作通用用作通用I/O口口。在这种情况下，在这种情况下，单片机硬件自动使控制单片机硬件自动使控制C=0，MUX开关接向锁存器的反相输出端。开关接向锁存器的反相输出端。另外，与门输出的另外，与门输出的“0”使输出驱动器的上拉场使输出驱动器的上拉场效应管效应管T1处于截止状态。因此，输出驱动级工作在处于截止状态。因此，输出
22、驱动级工作在需外接上拉电阻的需外接上拉电阻的漏极开路漏极开路方式。方式。2023/5/1622西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构作作输出输出口时，口时，CPU执行口的输出指令，内部数据总线执行口的输出指令，内部数据总线上的数据在上的数据在“写锁存器写锁存器”信号信号CP的作用下由的作用下由D端进入端进入锁存器，经锁存器的反向端送至场效应管锁存器，经锁存器的反向端送至场效应管T2，再经，再经T2反向，在反向，在P0.X引脚出现的数据正好是内部总线的数据。引脚出现的数据正好是内部总线的数据。作作输入输入口时，数据可以读自口的锁存器，也可以读口时，数据可以读自口的
23、锁存器，也可以读自口的引脚。这要根据输入操作采用的是自口的引脚。这要根据输入操作采用的是“读锁存器读锁存器”指令还是指令还是“读引脚读引脚”指令来决定。指令来决定。2023/5/1623西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 CPU在执行在执行“读读修改修改写写”类输入指令类输入指令时（如：时（如：ANL P0，A），内部产生的），内部产生的“读锁读锁存器存器”操作信号，使锁存器操作信号，使锁存器Q端数据进入内部端数据进入内部数据总线，在与累加器数据总线，在与累加器A进行逻辑运算之后，进行逻辑运算之后，结果又送回结果又送回P0的口锁存器并出现在引脚。读口的口锁存
24、器并出现在引脚。读口锁存器可以避免因外部电路原因使原口引脚的锁存器可以避免因外部电路原因使原口引脚的状态发生变化造成的误读。状态发生变化造成的误读。2023/5/1624西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 CPU在执行在执行“MOV”类输入指令时（如：类输入指令时（如：MOV A，P0），内部产生的操作信号是），内部产生的操作信号是“读引脚读引脚”。注意，。注意，在在执行该类输入指令前要先把锁存器写入执行该类输入指令前要先把锁存器写入“1”，使场，使场效应管效应管T2截止，使引脚处于悬浮状态，可以作为高阻截止，使引脚处于悬浮状态，可以作为高阻抗输入。否则，在
25、作为输入方式之前曾向锁存器输出抗输入。否则，在作为输入方式之前曾向锁存器输出过过“0”，则，则T2导通会使引脚箝位在导通会使引脚箝位在“0”电平，使输电平，使输入高电平入高电平“1”无法读入。所以，无法读入。所以，P0口在作为通用口在作为通用I/O口时，属于准双向口口时，属于准双向口。2023/5/1625西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2、P0用作地址用作地址/数据总线数据总线 当系统进行片外的当系统进行片外的ROM扩展或进行片外扩展或进行片外RAM扩展，扩展，P0用作地址用作地址/数据总线数据总线。在这种情况下，在这种情况下，单片机内硬件自动使单片机内
26、硬件自动使C=1，MUX开关接向反相器的输出端，开关接向反相器的输出端，这时与门的这时与门的输出由地址输出由地址/数据线的状态决定。数据线的状态决定。2023/5/1626西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构CPU在执行输出指令时，低在执行输出指令时，低8位地址信息和数据信息位地址信息和数据信息分时地出现在地址分时地出现在地址/数据总线上。数据总线上。P0.X引脚的状态与引脚的状态与地址地址/数据线的信息相同。数据线的信息相同。CPU在执行输入指令时，首先低在执行输入指令时，首先低8位地址信息出现在位地址信息出现在地址地址/数据总线上，数据总线上，P0.X引脚
27、的状态与地址引脚的状态与地址/数据总线数据总线的地址信息相同。然后，的地址信息相同。然后，CPU自动地使转换开关自动地使转换开关MUX拨向锁存器，并向拨向锁存器，并向P0口写入口写入FFH，同时同时“读引脚读引脚”信信号有效，数据经缓冲器进入内部数据总线。号有效，数据经缓冲器进入内部数据总线。可见，可见，P0口作为地址口作为地址/数据总线使用时是一个真正的数据总线使用时是一个真正的双向口双向口。2023/5/1627二、二、P2口的结构口的结构 P2口位结构图。口位结构图。P2口是一个口是一个8位准双向位准双向I/O口，具有口，具有两种功能。一是作通用两种功能。一是作通用I/O口用，与口用，与
28、P1口相似。二是作扩口相似。二是作扩展系统的高展系统的高8位地址总线，输出高位地址总线，输出高8位地址，与位地址，与P0口一起口一起组成组成16位地址总线。位地址总线。2023/5/1628西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构1、P2用作通用用作通用I/O口口 CPU在执行输出指令时，内部数据总线的数据在执行输出指令时，内部数据总线的数据在在“写锁存器写锁存器”信号的作用下由信号的作用下由D端进入锁存器，端进入锁存器，经反相器反相后送至场效应管经反相器反相后送至场效应管T，再经，再经T反相，在反相，在P2.X引脚出现的数据正好是内部总线的数据。引脚出现的数据正
29、好是内部总线的数据。P2口用作输入时，数据可以读自口的锁存器，口用作输入时，数据可以读自口的锁存器，也可以读自口的引脚。这要根据输入操作采用的也可以读自口的引脚。这要根据输入操作采用的是是“读锁存器读锁存器”指令还是指令还是“读引脚读引脚”指令来决定。指令来决定。2023/5/1629西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 CPU在执行在执行“读读修改修改写写”类输入指令时类输入指令时(如：如：ANL P2，A）,内部产生的内部产生的“读锁存器读锁存器”操作信号使锁存器操作信号使锁存器Q端数据进入内部数据总端数据进入内部数据总线，在与累加器线，在与累加器A进行逻
30、辑运算之后，结果又进行逻辑运算之后，结果又送回送回P2的口锁存器并出现在引脚。的口锁存器并出现在引脚。CPU在执行在执行“MOV”类输入指令时类输入指令时(如如 MOV A，P2），内部产生的操作信号是），内部产生的操作信号是“读引脚读引脚”。应在执行输入指令前要把锁存器写入应在执行输入指令前要把锁存器写入“1”，从而使引脚处高阻抗输入状态。从而使引脚处高阻抗输入状态。所以，所以，P2口在作为通用口在作为通用I/O口时，属于准双向口时，属于准双向口口。2023/5/1630西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2、P2用作地址总线用作地址总线 单片机内硬件使控制
31、单片机内硬件使控制C=1，MUX开关开关接向地址线，这时接向地址线，这时P2.X引脚的状态正引脚的状态正好与地址线的信息相同好与地址线的信息相同。2023/5/1631三、三、P1口的结构口的结构 P1口的位结构：口的位结构：P1口是一个专用的口是一个专用的8位准双向位准双向I/O口，只具有通用输入口，只具有通用输入/输出口功能，每一位都能设定输出口功能，每一位都能设定为输入或输出。为输入或输出。2023/5/1632西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 由图可见，由图可见，P1口由一个输出锁存器、口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。两个
32、三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。输出驱动电路与输出驱动电路与P2口相同，内部设有上拉口相同，内部设有上拉电阻。电阻。P1口是通用的准双向口是通用的准双向I/O口。输出高口。输出高电平时，不必再接上拉电阻。当口用作输电平时，不必再接上拉电阻。当口用作输入时，须向口锁存器写入入时，须向口锁存器写入1。2023/5/1633四、四、P3口的结构口的结构 P3口是一个口是一个8位准双向位准双向I/O口，除具有与口，除具有与P1口同样的功口同样的功能（即可以作通用能（即可以作通用I/O口使用）外，还具有第二功能。口使用）外，还具有第二功能。2023/5/1634西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂
33、教学讲稿 单片机结构单片机结构1、P3用作第一功能的通用用作第一功能的通用I/O口口 当当P3口做通用口做通用I/O口使用时，单片机内部口使用时，单片机内部的硬件自动将第二功能输出线的的硬件自动将第二功能输出线的W1。作为输出时，锁存器的状态（作为输出时，锁存器的状态（Q端）与输出端）与输出引脚的状态相同；引脚的状态相同；作为输入时，也要先向口锁存器写入作为输入时，也要先向口锁存器写入1，使，使引脚处于高阻输入状态。输入的数据在引脚处于高阻输入状态。输入的数据在“读引读引脚脚”信号的作用下，进入内部数据总线。信号的作用下，进入内部数据总线。P3口在作为通用口在作为通用I/O口时，也属于准双向口
34、口时，也属于准双向口。2023/5/1635西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2、P3用作第二功能使用用作第二功能使用 P3口作为第二功能使用时，内部硬件自动将口锁存口作为第二功能使用时，内部硬件自动将口锁存器的器的Q端置端置1。这时。这时:P3.0：RXD（串行口输入）；（串行口输入）；P3.1：TXD（串行口输出）；（串行口输出）；P3.2：外部中断外部中断0输入；输入；P3.3：外部中断外部中断1输入；输入；P3.4：T0（定时器（定时器0的外部输入）；的外部输入）；P3.5：T1（定时器（定时器1的外部输出）；的外部输出）；P3.6：（片外数据存储器
35、（片外数据存储器“写写”选通控制输出）；选通控制输出）；P3.7：（片外数据存储器（片外数据存储器“读读”选通控制输出）。选通控制输出）。2023/5/1636西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.4 单片机的时钟电路和时序单片机的时钟电路和时序1、单片机时钟电路通常有两种形式：、单片机时钟电路通常有两种形式：1）内内部部振振荡荡方方式式：MCS-51单单片片机机片片内内有有一一个个用用于于构构成成振振荡荡器器的的高高增增益益反反相相放放大大器器，引引脚脚XTAL1和和XTAL2分分别别是是此此放放大大器器的的输输入入端端和和输输出出端端。把把放放大大器器与
36、与作作为为反反馈馈元元件件的的晶晶体体振振荡荡器器或或陶陶瓷瓷谐谐振振器器连连接接，就就构构成成了了内内部部自自激激振振荡荡器器并并产产生生振振荡荡时时钟脉冲。钟脉冲。2）外外部部振振荡荡方方式式：外外部部振振荡荡方方式式就就是是把把外外部部已已有有的时钟信号引入单片机内。的时钟信号引入单片机内。2023/5/1637 （a）内部方式时钟电路）内部方式时钟电路（b）外接时钟电路）外接时钟电路XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源2023/5/1638西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.指令
37、时序指令时序（1）振荡周期）振荡周期振振荡荡周周期期指指为为单单片片机机提提供供定定时时信信号号的的振振荡荡源源的的周周期或外部输入时钟的周期。期或外部输入时钟的周期。（2）时钟周期）时钟周期时时钟钟周周期期是是振振荡荡周周期期的的两两倍倍,是是对对振振荡荡器器2分分频频的的信信号号,又又称称状状态态周周期期，用用S来来表表示示。一一个个时时钟钟周周期期分分为为两两个个节节拍拍，P1和和P2节节拍拍。P1节节拍拍通通常常完完成成算算术术逻逻辑辑操作，操作，P2节拍通常完成内部寄存器间数据的传递。节拍通常完成内部寄存器间数据的传递。2023/5/1639西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教
38、学讲稿 单片机结构单片机结构（3）机器周期）机器周期一一个个机机器器周周期期由由6个个状状态态组组成成，即即S1S6。如如果果把把一一条条指指令令的的执执行行过过程程分分作作几几个个基基本本操操作作，则则将将完完成成一一个个基基本本操操作作所所需需的的时时间间称称作作机机器器周周期期。单单片片机机的单周期指令执行时间就为一个机器周期。的单周期指令执行时间就为一个机器周期。2023/5/1640西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构（4）指令周期）指令周期指指令令周周期期即即执执行行一一条条指指令令所所占占用用的的全全部部时时间间，MCS-51单单片机的指令周期通
39、常为片机的指令周期通常为14个机器周期。个机器周期。一个一个机器周期机器周期包含包含12个晶荡周期或个晶荡周期或6个时钟周期个时钟周期 指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令周期指令周期（单、双、四周期）（单、双、四周期）2023/5/1641西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构若若MCS-51单单片片机机外外接接晶晶振振为为12MHz时时，则单片机的四个周期的具体值为：则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期振荡周期时钟周期时钟周期机器周期机器周期指令周期指令周期1/12MHz1/12s0.0833s1/6s0.167s1s14s2023/5/1642西安理
40、工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构再读下一条指令再读下一条指令再读下一条指令再读下一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读操作码读下一个操作码（丢弃）读下一个操作码（丢弃）读第二字节读第二字节（a）单字节，单周期指令单字节，单周期指令例：例：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2
41、S1读操作码读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令双字节，单周期指令例：例：ADDAdir（c）单字节，双周期指令）单字节，双周期指令例：例：INCDPTR读操作码（读操作码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）读下一个操作码（丢弃）无取指无无取指无ALE无取指无取指地址地址数据（数据（DATA）访问外部存储器访问外部存储器P2S1读操作码读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2
42、S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1取指和执行时序取指和执行时序2023/5/1643西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.5 单片机复位电路及复位状态单片机复位电路及复位状态1 1复位及复位电路复位及复位电路复位复位目的是目的是使单片机使单片机或系统中的其它部件或系统中的其它部件处于某种处于某种确定的初始状态。确定的初始状态。RST引脚是复位信号输入端，引脚是复位信号输入端，复位信号为复位信号为高电平有效高
43、电平有效，其有效时间应至少持续两，其有效时间应至少持续两个机器周期（个机器周期（24个振荡周期）以上才能完成复位操个振荡周期）以上才能完成复位操作。作。CPU在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每个机器周期重复一次，直至每个机器周期重复一次，直至RST端电平变低。在端电平变低。在单片机复位期间，单片机复位期间，AlE和和 PSEN 信号都不产生。复信号都不产生。复位操作将对部分专用寄存器产生影响位操作将对部分专用寄存器产生影响。2023/5/1644西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构 单片机复位电路包括片内、片外两
44、部分。单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机两个机器周期器周期以上的高电平而设计的。以上的高电平而设计的。MCS-51单片单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。方式。在通电瞬间，由于在通电瞬间，由于RC的充电过程，在的充电过程，在 RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机自动复位，在以上，就能使单片机自动复位，在6MHz时时钟时，通常钟时，通常C1取取22F，R2取取200，R1取取1K，这时能可靠的
45、实现上电复位和手动复位。，这时能可靠的实现上电复位和手动复位。2023/5/1645西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构上电复位电路上电复位电路 按键与上电复位按键与上电复位 2023/5/1646西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构复位后：复位后：PC=0000H，所以程序从，所以程序从0000H地址单元开始执行；地址单元开始执行；启动后，片内启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变为随机值，运行中的复位操作不改变片内片内RAM的内容的内容；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的特殊功能寄存器复位后的状态是确定的：P0
46、P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；，各口可用于输出，也可用于输入；SP=07H，第一个入栈内容将写入，第一个入栈内容将写入08H单元；单元；IP、IE和和PCON的有效位为的有效位为0，各中断源处于低优先级，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；且均被关断、串行通讯的波特率不加倍；PSW=00H，当前工作寄存器为，当前工作寄存器为0组。组。2单片机复位后的状态单片机复位后的状态 单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值.2023/5
47、/1647西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构特殊功能寄存特殊功能寄存器器初始状态初始状态特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始状态初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HPC0000HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0B单单片片机机复复位位后后特特殊殊功功能能寄寄存存器器的的状状态态2023/5/1648西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.6单片机的低功耗方式单片机的低功耗方式对对
48、于于MCS51系系列列机机型型来来说说，它它们们有有待待机机方方式式和和掉掉电电保保护护方方式式两两种种低低功功耗耗方方式式。通通过过设设置置电电源源控控制制寄寄存存器器PCON的的相相关关位可以确定当前的低功耗方式。位可以确定当前的低功耗方式。PCON寄存器格式如下：寄存器格式如下：其中其中SMOD：波特率倍增位：波特率倍增位GF0，GF1：通用标志位：通用标志位PD：掉电方式位，：掉电方式位，PD1为掉电方式为掉电方式IDL：待机方式位，：待机方式位，IDL1为待机方式为待机方式位序 B7 B6 B5B4B3B2B1B0位符号SMOD /GF1GF0PDIDL2023/5/1649西安理工
49、大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构1.待机方式待机方式将将PCON寄寄存存器器的的IDL位位置置“1”，单单片片机机则则进进入入待待机机方方式式。通通常常在在待待机机方方式式下下，单单片片机机的的中中断断仍仍然然可可以以使使用，这样可以通过中断触发方式退出待机模式。用，这样可以通过中断触发方式退出待机模式。2.掉电保护方式掉电保护方式将将PCON寄寄存存器器的的PD位位置置“1”，单单片片机机则则进进入入掉掉电电保保护护方方式式。如如果果单单片片机机检检测测到到电电源源电电压压过过低低，此此时时除除进进行行信信息息保保护护外外，还还需需将将PD位位被被置置“1”，使
50、使单单片片机机进进入入掉电保护方式。掉电保护方式。2023/5/1650西安理工大学课堂教学讲稿西安理工大学课堂教学讲稿 单片机结构单片机结构2.7 MCS-C51存存储储器器MCS-51存储器分成两大类：存储器分成两大类：RAM：CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。栈。ROM：一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，：一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中